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陶瓷转换器解决太阳能电池问题

时间：2022-04-07 14:16:30 来源：

研究人员说，在陶瓷中涂覆太阳能电池组件可以使其具有更高的耐热性，从而可以提高电池的整体效率。

该组件将来自太阳的热量转换为红外光，太阳能电池可以将其吸收以产生电能，这项技术被称为热光伏技术。

与早期的原型在温度达到华氏2200度（摄氏1200度）之前崩塌不同，新的散热装置在高达2500华氏度（1400摄氏度）的温度下仍保持稳定。

热辐射器的横截面显微照片显示，在2,500 F（1,400 C）的温度下放置一小时后，陶瓷涂层钨保留了结构完整性。（信用：凯文·阿平）

斯坦福大学电气工程学教授范善辉表示：“这在热稳定性方面是创纪录的表现，是热光伏领域的一项重大进步。”

伊利诺伊州-厄巴纳-香槟分校（Illinois）的Fan和他的同事与北卡罗来纳州立大学进行了合作。他们的结果发表在《自然通讯》杂志上。

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浪费的光

典型的太阳能电池具有硅半导体，该硅半导体直接吸收阳光并将其转换为电能。但是硅半导体只能对红外光做出反应。

高能量的光波（包括大部分可见光谱）被浪费为热量，而低能量的光波仅穿过太阳能电池板。

“从理论上讲，传统的单结太阳能电池只能达到约34％的效率水平，但实际上却达不到这一水平，”该研究的共同作者，伊利诺伊州材料科学教授Paul Braun说。“那是因为它们抛弃了大部分的太阳能。”

裁缝灯

设计热光电设备来克服该限制。光电光伏系统不是将阳光直接发送到太阳能电池，而是具有一个由两部分组成的中间组件：一个吸收器，当暴露于阳光下时会加热，而一个将热量转换为红外光的发射器，然后将其辐射到太阳能电池上。细胞。

“从本质上讲，我们将光调整为适合驱动太阳能电池的较短波长，”范解释说。“这将电池的理论效率提高到80％，这非常了不起。”

Braun指出，到目前为止，热电光伏系统的效率水平仅为8％左右。较差的性能很大程度上是由于中间组件存在问题，该中间组件通常由钨制成，而钨也是在常规灯泡中使用的一种丰富材料。

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“我们的热辐射器具有复杂的三维纳米结构，实际必须承受1,800 F [1000 C]以上的温度，” Braun说。“实际上，越热越好。”

陶瓷的戏剧性结果

但是，在先前的实验中，发射器的3-D结构在大约1,800 F（1,000 C）的温度下被破坏。为了解决这个问题，Braun和他的伊利诺伊州同事将钨发射体涂在了称为二氧化ha的陶瓷材料的纳米层中。

结果是惊人的。当经受1,800 F（1000 C）的温度时，陶瓷涂层的发射器保持其结构完整性超过12小时。当加热到2,500 F（1,400 C）时，样品保持热稳定至少一个小时。

陶瓷涂层的发射器被送到斯坦福大学的范和他的同事那里，他们证实该设备仍然能够产生非常适合运行太阳能电池的红外光波。

该研究的主要作者，前伊利诺伊州研究生凯文·阿平（Kevin Arpin）说：“这些结果是前所未有的。”“我们首次证明了陶瓷可以帮助推动热光伏技术以及其他研究领域的发展，包括从废热中收集能量，高温催化和电化学储能。”

Braun和Fan计划测试其他陶瓷类型的材料，并确定实验性热辐射器是否可以将红外光传递到工作中的太阳能电池。

“我们证明了在高温下调整光学性能是可能的，” Braun说。H和钨是丰富，低成本的材料，用于制造这些耐热发射器的工艺是公认的。

“希望这些结果将激励热电光伏界重新审视尚未考虑的陶瓷和其他类别的材料。”

斯坦福大学全球气候与能源项目和能源部能源转换中心的轻质材料相互作用部，美国国家科学基金会和三角太阳能燃料研究所共同为这项工作提供了支持。

通过。马克·施瓦兹


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